COMUNE DI GERENZAGO (PROVINCIA DI PAVIA)

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1 COMUNE DI GERENZAGO (PROVINCIA DI PAVIA) LINEE GUIDA PER LA PROGETTAZIONE, REALIZZAZIONE E COLLAUDO DELLE FOGNATURE NELL AMBITO DELLE LOTTIZZAZIONI PRIVATE Redatte a cura del Prof. Ing. Carlo Ciaponi - Pavia

2 INDICE 1. PREMESSA SCELTA FRA SISTEMA MISTO E SEPARATO INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA LINEE GUIDA CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA LINEE GUIDA CALCOLO DELLE PORTATE IN TEMPO ASCIUTTO INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Deflussi di origine civile Deflussi di origine industriale Portate parassite LINEE GUIDA CALCOLO DELLE PORTATE PLUVIALI INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA LINEE GUIDA CALCOLI IDRAULICI PER LE CONDOTTE A PELO LIBERO INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Pendenza di fondo Franco di sicurezza e massimo grado di riempimento Dimensionamento idraulico Verifica idraulica Vincoli sulle velocità LINEE GUIDA SCELTA DEI MATERIALI PER LE CONDOTTE INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Sicurezza statica Resistenza all aggressività delle acque reflue Resistenza all abrasione Caratteristiche di resistenza idraulica Tenuta idraulica Costo LINEE GUIDA MANUFATTI INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Caditoie pluviali Pozzetti di ispezione LINEE GUIDA STAZIONI DI SOLLEVAMENTO INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA LINEE GUIDA COLLAUDO INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Leggi e norme tecniche di riferimento La rispondenza alle regole dell arte e alle norme tecniche

3 Conformità dimensionale delle canalizzazioni e dei manufatti Andamento planimetrico e altimetrico della canalizzazione Sicurezza statica delle canalizzazioni e dei manufatti Tenuta idraulica delle canalizzazioni e dei manufatti LINEE GUIDA BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE

4 1. PREMESSA Come è noto, le fognature realizzate dai lottizzanti nell ambito delle nuove lottizzazioni, una volta realizzate, vengono cedute al Comune e diventano, a tutti gli effetti, fognature comunali. E quindi opportuno che tutte le fasi di attuazione, dal progetto dell opera alla sua presa in consegna da parte dell Amministrazione comunale, siano informate a univoci e corretti criteri tecnici di qualità, così che la fognatura, progettata e costruita dal privato, abbia i necessari requisiti per poter essere accettata dal Comune. A tal fine, l Amministrazione comunale di Gerenzago ha ritenuto utile fornire ai lottizzanti, per la progettazione, realizzazione e collaudo delle fognature nell ambito delle lottizzazioni private, le seguenti linee guida che, redatte sulla base dei più moderni criteri nel campo della progettazione e realizzazione delle fognature urbane, documentano gli orientamenti tecnici assunti dall Amministrazione comunale per quanto attiene i procedimenti tecnicoamministrativi che riguardano i piani di lottizzazione. Le linee guida esposte nel seguito, oltre a dare precise indicazioni al lottizzante sui criteri progettuali e costruttivi ai quali deve uniformarsi, introducendo quindi nel procedimento amministrativo connesso all attuazione della lottizzazione un importante fattore di chiarezza e trasparenza, fornisce all Ufficio Tecnico Comunale riferimenti certi ed univoci in base ai quali uniformare i procedimenti di controllo e di approvazione. Ovviamente, queste linee guida non modificano le responsabilità che competono ai diversi soggetti (progettista, impresa esecutrice, direttore dei lavori) coinvolti nell attuazione dell opera. I soggetti responsabili potranno quindi assumere anche decisioni tecniche in contrasto con le linee guida qui riportate, ma dovranno in ogni caso, per ottenere le necessarie approvazioni da parte dell Ufficio Tecnico Comunale, giustificare e documentare in modo adeguato le scelte progettuali o costruttive difformi rispetto ai criteri che l Amministrazione comunale ritiene ottimali. Per i diversi aspetti trattati, le indicazioni sono suddivise in una parte di inquadramento generale, per lo più tratta dalla più moderna manualistica tecnica sull argomento e una parte, più sintetica, che riassume le linee guida suggerite. In alcuni casi, la trattazione è corredata da esempi di calcolo. 2. SCELTA FRA SISTEMA MISTO E SEPARATO 2.1 INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA I sistemi fognari si distinguono in sistemi unitari (o misti) e in sistemi separati. I primi raccolgono nella stessa canalizzazione le acque reflue di tempo asciutto di origine civile e/o industriale (acque nere) e le acque di origine meteorica (acque bianche). La fognatura è invece definita separata quando è costituita da due distinti sistemi di canalizzazioni (detti rispettivamente fognatura nera e fognatura bianca) di cui il primo raccoglie e convoglia le acque nere e il secondo le acque bianche. Di gran lunga più frequenti, sia a livello mondiale che in Italia, sono i sistemi unitari. Non vi sono ragioni tecniche, igieniche, economiche di validità generale in favore di un sistema rispetto all altro. Ogni sistema presenta, rispetto all altro, vantaggi e svantaggi che vanno valutati con riferimento allo specifico caso

5 Attualmente, la tendenza è quella di realizzare, nei nuovi insediamenti, fognature separate. Sintomatiche sono a questo proposito le direttive adottate dalla Regione Lombardia in sede di redazione del P.R.R.A che prevedono per le aree di futura urbanizzazione ad uso esclusivamente residenziale l adozione di fognature separate. Tali direttive sono peraltro in linea con quanto prescritto dall art. 5 della Legge n 36/94, come modificato dall art. 25 del D. Lgs. n 152/99, che impone alle Regioni di prevedere norme e misure volte a realizzare nei nuovi insediamenti sistemi di collettamento differenziali per le acque piovane e per le acque reflue. Va tuttavia osservato che non esistono, allo stato attuale, norme, né a livello nazionale, né a livello regionale, che impongano l adozione del sistema separato. Inoltre, va ricordato che, a livello nazionale, la comunità scientifica operante nel campo dei deflussi urbani, ha più volte ribadito l opinione che la scelta fra i due sistemi non debba essere regolamentata in un senso o nell altro per Legge, ma debba essere lasciata alla decisione del progettista a cui spetta valutare, caso per caso, quale sia la scelta migliore. 2.2 LINEE GUIDA Nel caso specifico del Comune di Gerenzago, va ricordato che: - Il sistema fognario esistente è di tipo misto e gli interventi di ristrutturazione già prefigurati manterranno lo schema di tipo misto. L eventuale imposizione di una separazione delle reti all interno delle nuove lottizzazioni, con conseguenti maggiori costi per il lottizzante, non avrebbe alcuna giustificazione razionale, stante il fatto che le acque raccolte, dopo essere state separate all interno della lottizzazione, verrebbero poi unite nella pubblica fognatura. - Le fognature miste esistenti, che costituirebbero il recapito dei sistemi fognari a servizio delle nuove urbanizzazioni, sono molto superficiali. Ciò renderebbe molto difficile l eventuale realizzazione, nell ambito della lottizzazione, di una rete di fognatura nera, con scarico a gravità nel sistema esistente, più profonda di quella bianca. Le due reti (quella nera e quella bianca) verrebbero costruite quindi all incirca alla stessa quota e ciò determinerebbe gravi difficoltà nella realizzazione degli incroci fra le due reti e nella costruzione dei relativi allacciamenti. - In generale, non esistono corpi idrici attraversanti l abitato e/o prossimi alle aree destinate alle future lottizzazioni, che possano costituire un recapito alternativo per le acque meteoriche e che possano quindi giustificare la realizzazione di un sistema separato. Per i motivi sopra indicati, si ritiene preferibile che per le nuove lottizzazioni a carattere residenziale sia adottato il sistema unitario (misto). Sistemi separati sono invece richiesti per le nuove lottizzazioni destinate all insediamento di attività di tipo non residenziale, al solo fine di consentire un più sicuro controllo delle acque nere di tipo industriale convogliate in fognatura. 3. CURVE DI PROBABILITA PLUVIOMETRICA 3.1 INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Per dimensionare un sistema di drenaggio delle acque meteoriche, è necessario stimare la quantità di pioggia che il sistema deve smaltire in occasione delle precipitazioni di maggiore intensità

6 Dato il carattere aleatorio degli eventi di pioggia, la descrizione del regime delle piogge intense si deve fondare su un analisi statistica delle osservazioni pluviometriche. In particolare, per ricercare la durata critica e quindi l intensità critica della pioggia, è necessario conoscere la legge secondo la quale varia, al variare della durata, l altezza di precipitazione caratterizzata da un certo grado di rarità. Questa relazione, detta curva di probabilità pluviometrica, si rappresenta usualmente con l espressione monomia: h =a t n (1) nella quale h è l altezza di pioggia (mm), t è la durata (ore) e a e n sono parametri che variano a seconda della località indagata. Per caratterizzare il grado di rarità dei valori h forniti dalla (1) si fa ricorso al concetto di tempo di ritorno T. Si definisce tempo di ritorno del valore h la lunghezza dell intervallo di tempo T (anni) per la quale il valore di h è mediamente superato una volta. La relazione monomia (1) fornisce i valori h dell altezza di pioggia, relativi alle diverse durate, che hanno uno stesso valore del tempo di ritorno. Per rappresentare la pluviometria di una data località si adopera un fascio di curve, ciascuna caratterizzata da un particolare valore del tempo di ritorno. 3.2 LINEE GUIDA La definizione delle curve di probabilità pluviometrica valide per il dimensionamento di fognature nel Comune di Gerenzago è stata effettuata nell ambito dello studio sulla fognatura comunale, eseguito nel 2005 dallo Studio Ecotecno di Pavia. I parametri delle curve di probabilità pluviometrica adottate per Gerenzago sono i seguenti: - per un tempo di ritorno T = 2 anni: a = 59,098 mm n = 0,7886 per t < 17,7 minuti (2a) a = 30,555 mm n = 0,2455 per t > 17,7 minuti (2b) - per un tempo di ritorno T = 5 anni: a = 93,649 mm n = 0,8453 per t < 13,4 minuti (3a) a = 38,806 mm n = 0,2570 per t > 13,4 minuti (3b) - per un tempo di ritorno T = 10 anni: a = 113,39 mm n = 0,8592 per t < 13,0 minuti (4a) a = 44,796 mm n = 0,2522 per t > 13,0 minuti (4b) Ai fini del dimensionamento di fognature al servizio di nuove lottizzazioni, si consiglia di adottare un tempo di ritorno di 5 anni. Poiché il tempo caratteristico degli eventi critici per fognature a servizio di aree di piccola estensione (< 10 ha) è dell ordine di pochi minuti, la curva da adottare è la (3a). 4. CALCOLO DELLE PORTATE IN TEMPO ASCIUTTO 4.1 INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Le acque di tempo asciutto comprendono quelle di origine civile ed industriale (acque nere) e quelle di infiltrazione esterna (acque parassite)

7 4.1.1 Deflussi di origine civile I deflussi di origine civile comprendono le acque provenienti dalle abitazioni private, dagli edifici pubblici, dagli insediamenti commerciali e artigianali, dai servizi igienici degli insediamenti industriali. La portata media annua q n delle acque di origine civile che un tronco di fognatura deve smaltire può essere stimata con l espressione: P D φ q n = [l/s] (5) in cui: - P è il numero di utenti gravanti sulla fogna a monte della sezione di calcolo; - D è la dotazione idrica pro-capite media annua [l/(ab. d)] ; - φ è il coefficiente di afflusso in fogna. La stima del numero di utenti serviti dalla fognatura deve essere fatta tenendo conto dell intera capacità insediativa della lottizzazione in base al suo prevedibile sviluppo. La stima della dotazione idrica pro-capite media annua può essere assunta pari a 250 l/(ab. d). La percentuale di afflusso in rete può essere assunta pari a 0,8. La portata nera in una sezione generica di una fognatura è soggetta a fluttuazioni stagionali, giornaliere e orarie. La massima portata oraria può essere stimata moltiplicando la portata media annua q n per un coefficiente di punta giornaliera C 24 (che per il Comune di Gerenzago può essere assunto pari a 1,5) e per un coefficiente di punta oraria C p : q np = C 24 C p q n (6) Il coefficiente di punta C p può essere calcolato con l espressione [KOCH]: C = 1,5 + 2,5 (7) p q n Esclusi casi particolari, quali brevi tronchi di estremità a servizio di caserme o comunità, si assume di norma C p Deflussi di origine industriale Per la stima dei deflussi di origine industriale è sempre opportuno effettuare un indagine ad hoc almeno per gli insediamenti produttivi di maggiori dimensioni, ciò in quanto i consumi sono fortemente influenzati dalla tipologia industriale, dal processo produttivo utilizzato e dalla percentuale di riciclo di acqua usata; i dati di letteratura possono servire solo a titolo di orientamento. Per le zone di espansione industriale, nei casi in cui non siano noti elementi specifici sugli insediamenti previsti, le portate di punta possono essere stimate in base a parametri medi normalmente ritenuti validi per queste aree: 0,5 1,5 l/(s ha), a seconda che si preveda una tipologia industriale prevalente poco idroesigente o fortemente idroesigente

8 4.1.3 Portate parassite Le portate parassite sono essenzialmente determinate da acque di falda che, nel caso di fognature ad essa soggiacenti, si infiltrano attraverso giunti difettosi e condotti e manufatti fratturati. In considerazione del fatto che le fognature a servizio di nuove lottizzazioni devono essere realizzate garantendo la perfetta tenuta dei giunti, si ritiene accettabile che il loro dimensionamento sia fatto assumendo nulle le portate parassite. 4.2 LINEE GUIDA Per il calcolo delle portate di dimensionamento nell ambito della progettazione di fognature per nuove lottizzazioni, si suggerisce la seguente procedura, da applicare ad ogni sezione di calcolo (tronco fognario): 1) Calcolo della portata nera media q n : Si adotta la (5) 2) Calcolo del coefficiente di punta orario C p : Si adotta la (7) 3) Calcolo della portata nera di punta q np : Si adotta la (6) ponendo C 24 = 1,5 ESEMPIO: si calcoli la portata nera di punta per un tronco fognario che serve 350 abitanti residenti. Sviluppo del calcolo: - P = D = 250 l/(ab. d) - φ = 0,8 - q n = 0,81 l/s dalla (5) - C p = 4,28 dalla (7); poiché C p > 3 si assume C p = 3 - C 24 = 1,5 - Q np = 3,65 l/s dalla (6) 5. CALCOLO DELLE PORTATE PLUVIALI 5.1 INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Il dimensionamento delle canalizzazioni di una rete di drenaggio richiede il calcolo della portata massima (o portata al colmo) che, con prefissata probabilità, ogni tronco della rete deve far defluire senza inconvenienti. Le procedure tradizionali per il calcolo della portata massima pluviale ipotizzano una precipitazione uniforme nello spazio e di intensità costante nel tempo (di durata pari a quella critica) desunta dalla curva di probabilità pluviometrica espressa nella forma (1) che lega l altezza di precipitazione h (in mm) cumulata in uno scroscio avente tempo di ritorno T (in anni) alla durata dell evento t (in ore). Con queste assunzioni e con quelle adottate nel ben noto metodo italiano dell invaso, il coefficiente udometrico (u), ovvero la portata massima di piena per unità di superficie del bacino, di norma misurata in [l/(s ha)], può essere calcolato con l espressione: - 8 -

9 u ( ψ a) 1/ n0 1 = 2168 n0 (1/ n0 1) v0 (8) nella quale compaiono: - il coefficiente di afflusso ψ 1 relativo alle piogge di durata unitaria e mediato sull area del bacino; - i parametri a e n 0 della curva di probabilità pluviometrica eventualmente ragguagliati all area del bacino (con a espresso in metri e n 0 = 4/3 n); - il volume specifico (per unità di superficie del bacino) v 0 (m) dell invaso a monte della sezione di calcolo. L invaso specifico è dato dalla somma del così detto volume dei piccoli invasi v 1, che dipende dalla tipologia del bacino tributario e si pone pari a m, e dell invaso proprio della rete v R, che dipende anche dalla dimensione dello speco del tronco oggetto di dimensionamento ed è quindi incognito. La dipendenza di v R da u imporrebbe il calcolo iterativo del coefficiente udometrico; per una soluzione diretta della (8) sono state proposte espressioni empiriche che consentono una stima approssimata di v R. Fra queste si ricorda l espressione (IANNELLI) che lega il rapporto v R / v 1 all estensione A [ha] del bacino: R 1 0,227 v = 0,29 v A (9) L espressione (8) si basa su alcune ipotesi circa il funzionamento del sistema bacino-rete che, in assenza di dati sperimentali, hanno consentito per molti anni di applicare il modello dell invaso lineare sulla base di considerazioni di tipo fisico opportunamente semplificate. Negli anni più recenti, queste ipotesi hanno però ricevuto da parte di diversi Autori numerose e giustificate critiche che riguardano principalmente l ipotesi di sincronismo (che porta ad una sovrastima dei volumi di invaso), la prassi di valutare i piccoli invasi proporzionali all intera area del bacino e non, come sarebbe più corretto, alla sola parte contribuente, l assunzione, posta a base della (8), della legge di FANTOLI (ψ = ψ 1 t n/3 ) di variazione del coefficiente di afflusso ψ con la durata della pioggia che determina per il coefficiente di afflusso connesso con l evento critico una sottostima tanto più rilevante quanto minore risulta la durata critica della precipitazione. Le ipotesi sopra riportate portano, tutte e sempre, ad una sottostima di u che, in alcuni casi, può risultare molto grave. Un consistente miglioramento del metodo può essere ottenuto rinunciando all ipotesi di FANTOLI e considerando quindi il coefficiente di afflusso indipendente dalla durata della pioggia; così facendo, l espressione (8) rimane valida purché si sostituisca a n 0, n e a ψ 1, ψ. Per altre correzioni, essenzialmente finalizzate al superamento dell ipotesi di sincronismo, si rimanda alla letteratura specializzata. Per la stima di ψ indipendente dalla durata della pioggia, il GRUPPO DI RICERCA DEFLUSSI URBANI consiglia di adottare la media pesata dei coefficienti ψ perm e ψ imp rispettivamente delle aree permeabili e impermeabili secondo l espressione: ψ = ψ perm (1-I) + ψ imp I (10) - 9 -

10 essendo I il grado di impermeabilizzazione del bacino (rapporto fra la superficie impermeabile e quella totale del bacino). I coefficienti ψ perm e ψ imp vanno assunti, in funzione del tempo di ritorno T di progetto, secondo quanto riportato nella Tab. 1. TAB. 1 CONTRIBUTI AL DEFLUSSO DELLE AREE PERMEABILI E IMPERMEABILI DI UN BACINO URBANO SECONDO QUANTO SUGGERITO DAL GRUPPO DI RICERCA DEFLUSSI URBANI T [anni] ψ perm ψ imp < > 10 0,00 0,15 0,10 0,25 0,15 0,30 0,60 0,75 0,65 0,80 0,70 0,90 La consapevolezza che il modello dell invaso lineare è un modello di tipo concettuale molto semplificato rispetto alla complessità dei fenomeni che deve riprodurre, e che quindi i suoi parametri assumono un significato fisico labile e richiedono una taratura su base sperimentale, ha portato alcuni Autori a suggerire il calcolo di u in funzione della costante di invaso K alla quale è esplicitamente attribuito il significato di parametro di taratura del modello n 1 u = 0,65 ψ ak (11) n nella quale a è espressa in metri e K in secondi. Per la stima della costante di invaso K sono proposte in letteratura alcune espressioni ottenute dall analisi di eventi sperimentali misurati in diversi bacini urbani. Fra queste, si ricordano la formula di DESBORDES: K= -0, A 0,30 I -0,45 S -0,38 (12) nella quale: - K è la costante di invaso [minuti]; - A è l area del bacino [ha]; - I è il rapporto tra l area impermeabile e l area totale del bacino; - S è la pendenza media del collettore principale [%]. Più recentemente, CIAPONI e PAPIRI hanno fornito altre espressioni per la stima di K; fra queste, si ricorda: K = 0,50 A 0,351 I -0,163 S r -0,290 d 0,358 (13) nella quale compaiono, oltre alle grandezze già definite, anche: - S r che è la pendenza media ponderale della rete di drenaggio [%]; - d che è la densità di drenaggio [m/ha]. Per quanto concerne il parametro d, la cui stima dipende dal grado di descrizione della rete, il valore minimo da adottare è 150 m/ha. E comunque consigliabile non adottare valori di K inferiori a 5 minuti

11 Una volta calcolato il coefficiente udometrico u, la massima portata pluviale Q M alla quale riferire il dimensionamento della sezione si ottiene dalla definizione: Q M = u A [l/s] (14) 5.2 LINEE GUIDA Per il calcolo delle portate di dimensionamento nell ambito della progettazione di fognature per nuove lottizzazioni, si suggerisce la seguente procedura, da applicare ad ogni sezione di calcolo (tronco fognario): 1) Calcolo della costante di invaso K : Si adotta la (13) nella quale: - A = estensione dell area che gravita sulla sezione di calcolo ovvero che è servita, direttamente e/o indirettamente, dal tronco fognario per il quale si calcola la portata [ha]. - I = rapporto tra l area impermeabile e l area totale del bacino servito (per lottizzazioni di tipo residenziale ordinarie, in genere I 0,5 - per lottizzazioni industriali I può raggiungere anche valori prossimi a 1) - S r = pendenza media ponderale della rete di drenaggio [%]; poiché in fase di calcolo della portata di progetto in genere le pendenze delle condotte non sono ancora ben definite, il valore va stimato a priori; per Gerenzago si può assumere S r = 0,2 % - d = densità di drenaggio [m/ha], pari al rapporto fra lo sviluppo della rete fognaria [m] e l area servita [ha]. Nel caso in cui risulti d < 150 m/ha, bisogna assumere d = 150 m/ha Nel caso in cui il calcolo della costante di invaso porti a trovare K < 5 minuti, si consiglia di assumere K = 5 minuti 2) Calcolo del coefficiente di afflusso ψ: Si adotta la (10) nella quale: - I = rapporto tra l area impermeabile e l area totale del bacino servito (vedi punto precedente); - ψ perm = coefficiente di afflusso delle aree permeabili (valore consigliato = 0,1) - ψ imp = coefficiente di afflusso delle aree impermeabili (valore consigliato = 0,7) 3) Calcolo del coefficiente udometrico u: Si adotta la (11) nella quale: - a = coefficiente della curva di possibilità climatica = 0,092 m (vedi paragrafo 3.2) - n = esponente della curva di possibilità climatica = 0,82 (vedi paragrafo 3.2) - ψ = coefficiente di afflusso calcolato come indicato nel precedente punto 2) - K = costante di invaso [secondi] calcolata come indicato nel precedente punto 1) 4) Calcolo della portata pluviale di dimensionamento Q M : Si adotta la (14) nella quale: - A = estensione dell area che gravita sulla sezione di calcolo ovvero che è servita, direttamente e/o indirettamente, dal tronco fognario per il quale si calcola la portata [ha]

12 - u = coefficiente udometrico [l/(s ha)] calcolato come indicato nel precedente punto 3) ESEMPIO: si calcoli la portata al colmo per un tronco fognario su cui grava complessivamente un area urbanizzata di tipo residenziale a villette avente estensione pari a 1,8 ha; lo sviluppo della fognatura a servizio dell area suddetta sia pari a 315 m. Sviluppo del calcolo: - A = 1,8 ha - I = 0,5 - S r = 0,2 - d = 315/1,8 = 175 m/ha - K = 6,97 minuti = 418 secondi dalla (13) - ψ perm = 0,1 - ψ imp = 0,7 - ψ = 0,4 dalla (10) - a = 0,092 m dalla (3a) - n = 0,82 dalla (3a) - u = 97,90 l/(s ha) dalla (11) - Q M = 176,2 l/s dalla (14) 6. CALCOLI IDRAULICI PER LE CONDOTTE A PELO LIBERO 6.1 INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Il dimensionamento di un canale di fognatura consiste nel determinare le dimensioni da assegnare allo speco in modo tale che la portata di progetto Q p possa transitare con un tirante idrico h in grado di assicurare un prefissato franco minimo di sicurezza. Il calcolo presuppone la preliminare definizione della forma e della pendenza i da assegnare alla canalizzazione, nonché la scelta dei materiali con i quali la canalizzazione verrà realizzata. Il problema è in genere risolto ipotizzando condizioni di moto uniforme e ricorrendo alle usuali formule valide per il moto uniforme nei canali. In Italia, per il calcolo delle fognature, è molto usata la formula di Gauckler-Strickler: Q = k A R 2/3 i 1/2 (15) nella quale: - Q = portata [m 3 /s] - k = coefficiente di scabrezza [m 1/3 /s]; - A = area bagnata [m 2 ]; - R = raggio idraulico [m]; - i = pendenza [m/m] Nel calcolo va tenuta in conto una scabrezza superiore a quella normalmente indicata nelle tabelle suggerite per canali e condotte, poiché, rispetto alle situazioni ivi considerate, la corrente in fognatura incontra una maggiore resistenza per incrostazioni, depositi, solidi trasportati, frequenti disturbi localizzati dovuti a pozzetti di ispezione, allacciamenti, cambi di sezione, ecc. Per il parametro di resistenza k [m 1/3 /s], si consigliano i seguenti valori: - condotti in PVC, Polietilene e Vetroresina: k = 80-90;

13 - condotti in gres ceramico, fibrocemento, ghisa sferoidale con rivestimento interno cementizio, cemento armato con rivestimento in resina a spessore: k = 70-80; - condotti prefabbricati in calcestruzzo di cemento e condotti in calcestruzzo gettati in opera e privi di intonaco lisciato: k = I valori maggiori si possono adottare per canalizzazioni speciali, cioè canalizzazioni essenzialmente diritte, senza immissioni laterali, con pochi e ben raccordati pozzetti di ispezione. I valori minori si adottano per canalizzazioni normali, cioè fognature con frequenti allacciamenti di edifici e caditoie stradali, con frequenti confluenze di tronchi e frequenti pozzetti di ispezione. Ammettendo di aver adottato per la canalizzazione la sezione circolare, una volta stabiliti il parametro di scabrezza e la portata, nella formula di moto uniforme risultano incognite: il tirante idrico h, la pendenza i del fondo e il raggio r della sezione. Il problema del dimensionamento risulta perciò indeterminato; tuttavia, nella maggior parte delle situazioni pratiche, il grado di indeterminazione (cioè il numero delle soluzioni ammissibili) si riduce sensibilmente a causa di diversi vincoli di natura tecnico-economica Pendenza di fondo La pendenza di fondo i da assegnare alla canalizzazione è strettamente legata alla pendenza naturale del terreno dalla quale, in generale, non dovrà discostarsi molto al fine di evitare eccessivi volumi e profondità di scavo. Spesso i valori da assegnare alle pendenze sono fortemente condizionati dalle profondità minime o massime che la fognatura, in particolari sezioni, deve avere rispetto al piano di campagna in dipendenza di esigenze costruttive o di esercizio: così, ad esempio, la profondità minima dei condotti di testata deve garantire l'allacciamento a gravità degli utenti e l'eventuale allacciamento di un pozzetto di cacciata; l'estradosso del cielo fogna deve inoltre presentare un affondamento minimo di 30 cm rispetto alla generatrice inferiore di eventuali condotte destinate al servizio idropotabile (v. Circolare Ministero LL. PP. n 11633/74); la profondità massima di una fognatura bianca o mista nella sezione di recapito o nelle sezioni dove sono localizzati scaricatori di piena deve garantire uno scarico possibilmente non rigurgitato delle portate di origine meteorica; eventuali attraversamenti di altri servizi (ferrovie, metanodotti, ecc.) devono uniformarsi a profondità imposte dai loro enti gestori. Questi vincoli, che possono interessare un numero anche limitato di tronchi fognari, si ripercuotono sulle profondità di posa (e quindi sulle pendenze) anche di altre canalizzazioni che costituiscono la rete, per via della necessità di assicurare, per quanto possibile, confluenze a gravità. I valori comunemente adottati per le pendenze variano da 0,002 a 0,050; di norma i valori più alti sono attribuiti alle fogne elementari e i valori più bassi ai collettori terminali. In ogni caso, una volta fissati i valori delle pendenze e dimensionati gli spechi, occorre procedere al calcolo delle velocità nelle varie situazioni di esercizio al fine di verificare la loro ammissibilità (vedi successivi paragrafi e 6.1.5)

14 6.1.2 Franco di sicurezza e massimo grado di riempimento Fissata la pendenza i del canale, il problema del dimensionamento si riduce alla definizione della dimensione della sezione in modo che il tirante idrico h connesso con la portata Q di progetto, assicuri un prefissato franco minimo di sicurezza. Nel caso di condotti chiusi, il franco deve consentire una completa ed efficace aerazione della canalizzazione ed evitare che i fenomeni ondosi, che possono innescarsi sulla superficie libera, occludano momentaneamente lo speco provocando fenomeni di battimento pericolosi per la durata e la stabilità della condotta. Il riempimento massimo deve essere inferiore a quello a cui corrisponde la massima velocità di moto uniforme (per condotte circolari quindi h max < 0,8 D); in genere si assume un valore circa pari a 0,7 D, assicurando, in ogni caso, un franco di almeno 20 cm. Per condotte di piccolo diametro ( D 40 cm) si assume un altezza massima pari a metà diametro Dimensionamento idraulico La dimensione dello speco si determina per tentativi, cercando, mediante procedimenti di verifica idraulica (v. paragrafo 6.1.4), lo speco che sia in grado di assicurare, con la portata di progetto, un grado di riempimento il più possibile vicino (per difetto) al massimo ammissibile. Per le sezioni circolari, è anche possibile determinare analiticamente la dimensione teorica (raggio r ) corrispondente ad un prefissato grado di riempimento con la seguente espressione: [ k ( A r )( R r) ] 2 / i 1/ { Q } 0, 375 r = (16) I valori dei rapporti adimensionali A/r 2 e R/r, possono essere ricavati in funzione del prefissato rapporto di riempimento h/r dalla Tab.2. Ovviamente, il raggio teorico r va poi approssimato al valore commerciale immediatamente superiore. I diametri minimi che possono essere assegnati agli spechi sono pari a 300 mm per le fogne bianche o miste e a 200 mm per le fognature nere. ESEMPIO: per un tronco fognario da realizzarsi in cemento armato, con pendenza pari a 0,005, si dimensioni lo speco a sezione circolare atto a trasportare la portata di progetto Q = 1,2 m 3 /s con un grado di riempimento massimo h/d pari a 0,7. Sviluppo del calcolo: h/r = 1,4 A/r 2 = 2,349 dalla Tab. 2 R/r = 0,593 dalla Tab. 2 r = 0,49 m dalla (16) assumendo k = 70 Si adotta pertanto una tubazione DN 100 cm. L effettivo grado di riempimento che si determina nel diametro commerciale e il valore della velocità possono essere calcolati con i procedimenti di verifica descritti nel successivo paragrafo

15 TAB. 2 - GRANDEZZE GEOMETRICHE NORMALIZZATE PER SEZIONI CIRCOLARI h/r A/r 2 R/r 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 0,021 0,059 0,107 0,164 0,227 0,296 0,447 0,614 0,793 0,980 1,174 1,371 1,571 1,771 1,968 2,162 2,349 2,527 2,694 2,846 2,915 2,978 3,035 3,083 3,121 3,142 0,033 0,065 0,097 0,127 0,157 0,186 0,241 0,293 0,342 0,387 0,429 0,466 0,500 0,530 0,555 0,576 0,593 0,603 0,608 0,607 0,603 0,596 0,587 0,573 0,553 0, Verifica idraulica Una volta dimensionata la canalizzazione e nota quindi la sua geometria (forma, dimensioni, pendenza) e stimato il valore del parametro di attrito che meglio si adatta alla situazione di resistenza al moto offerta dal canale, occorre in genere procedere ad una verifica consistente nella determinazione del tirante idrico h e della velocità V corrispondente alla prefissata portata Q. Per le sezioni circolari, il calcolo può essere effettuato attraverso scale di deflusso normalizzate che, per diversi gradi di riempimento, forniscono, in forma adimensionale, le velocità e le portate. La tabella 3 riporta le scale di deflusso normalizzate ricavate per le sezioni circolari valide per qualsiasi valore della pendenza e del parametro di scabrezza, purchè si adotti la formula di Gauckler-Strickler; in questa tabella i valori di V e di Q sono normalizzati rispetto ai valori V r e Q r relativi alle condizioni di completo riempimento del condotto. I valori delle grandezze geometriche e idrauliche in condizioni di completo riempimento possono essere calcolate con le espressioni riportate in tabella 4; il calcolo delle grandezze idrauliche presuppone l adozione della formula di Gauckler-Strickler

16 TAB. 3 - SCALE DI DEFLUSSO NORMALIZZATE (FORMULA DI GAUCKLER-STRICKLER) SEZIONE CIRCOLARE h/r V/V r Q/Q r 0,10 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 0,257 0,401 0,615 0,776 0,902 1,000 1,072 1,099 1,119 1,133 1,140 1,137 1,124 1,095 1,000 0,005 0,021 0,088 0,196 0,337 0,500 0,672 0,756 0,837 0,912 0,978 1,031 1,066 1,075 1,000 r = raggio della sezione circolare TAB. 4 - VALORI DELLE GRANDEZZE GEOMETRICHE E IDRAULICHE A COMPLETO RIEMPIMENTO GRANDEZZA A r π r 2 P r SEZIONE CIRCOLARE 2 π r R r r/2 V r 0,630 k r 2/3 i 1/2 (*) Q r 1,979 k r 8/3 i 1/2 (*) (*) Formula di Gauckler-Strickler ESEMPIO: si calcoli il tirante idrico h e la velocità V di una corrente di portata Q = 1,2 m 3 /s che transita in una fognatura in calcestruzzo DN 100 cm con pendenza i = 0,005. Sviluppo del calcolo : r = 0,50 m V r = 1,96 m/s dalla relazione di Tab. 4 assumendo K = 70 Q r = 1,54 m 3 /s dalla relazione di Tab. 4 assumendo K = 70 Q/Q r = 1,2/1,61 = 0,779 dalla tabella 2 risulta che 0,756 < Q/Q r = 0,779 < 0,837 corrispondente a: 1,30 < h/r < 1,40 e 1,099 < V/V r < 1,119 interpolando linearmente all interno degli intervalli individuati si ottiene: h/r = 1,3 + (0,779-0,756) (1,4 1,3) / (0,837-0,756) = 1,328 V/V r = 1,099 + (0,779 0,756) (1,119 1,099) / (0,837-0,756) = 1,105 e quindi: h = 1,328 x 0,5 = 0,66 m V = 1,105 x 1,96 = 2,16 m/s Vincoli sulle velocità La velocità della corrente nelle canalizzazioni fognarie deve essere tale da evitare sia la formazione di depositi persistenti di materiali sedimentabili che l'abrasione delle superfici interne

17 La Circolare del Ministero dei LL.PP n del 7/1/1974 (contenente istruzioni per la progettazione delle fognature) indica che per le acque nere la velocità relativa alle portate medie non deve essere di norma inferiore a 50 cm/s; la velocità relativa alle portate nere di punta non deve di norma superare i 4 m/s, mentre per le portate pluviali la velocità massima connessa con l evento meteorico di progetto non deve superare i 5 m/s. I limiti di velocità sopra indicati hanno un valore indicativo e possono essere derogati dal progettista tenendo conto delle particolari condizioni di progetto e delle particolari prestazioni dei materiali scelti per le canalizzazioni. In particolare, la velocità minima nelle fognature nere e in quelle miste deve essere tanto più elevata quanto più alta è la possibilità di adesione del sedimento al fondo e alle pareti del canale (condotte di tipo cementizio), quanto maggiore è la quantità di materiale sedimentabile (testate dei condotti fognari), quanto più elevata è la probabilità di presenza di materiale sabbioso (fognature miste) e quanto più accentuate sono le caratteristiche di aggressività del liquame nei confronti della condotta. La velocità massima ammissibile nelle fognature dipende da molti elementi ed in particolare dalla natura del materiale costituente la superficie interna del condotto, dalla natura abrasiva dei detriti trasportati dalle acque e dalla frequenza con cui si verifica la velocità massima. La velocità massima connessa con la portata nera di punta non dovrebbe superare i 2,5 m/s; per canalizzazioni realizzate con materiali molto resistenti all abrasione può essere accettabile anche una velocità massima di 4 m/s. La velocità massima connessa con la portata pluviale di progetto non deve superare i 4-7 m/s, dipendentemente dal materiale costituente la superficie interna del condotto e dalla rarità dell'evento meteorico critico adottato per il dimensionamento della fognatura. 6.2 LINEE GUIDA Per il calcolo idraulico della condotta si suggerisce la seguente procedura, da applicare ad ogni sezione di calcolo (tronco fognario): 1) Definizione della pendenza di fondo (vedi paragrafo 6.1.1) 2) Definizione del grado di riempimento ammissibile: in prima approssimazione si può adottare h/r = 1; nell eventualità che il calcolo porti ad un diametro 0,5 si può adottare h/r = 1,4. 3) Determinazione del diametro teorico: fissato h/r, dalla Tab. 2 si ricava i corrispondenti valori di A/r 2 e di R/r e dalla (16) si ricava il raggio teorico r. 4) Definizione del diametro commerciale: il diametro teorico si arrotonda per eccesso al diametro commerciale più vicino D. 5) Verifica idraulica in condizioni di piena: con la procedura indicata nel paragrafo si calcola il tirante idrico h e la velocità V con cui transita nel diametro D la portata massima pluviale; si verifica che il grado di riempimento della condotta sia accettabile (vedi paragrafo 6.1.2) e che la velocità sia inferiore ai valori massimi accettabili (vedi paragrafo 6.1.5). 6) Verifica idraulica in condizioni di tempo asciutto: con la procedura indicata nel paragrafo si calcola il tirante idrico h e la velocità V con cui transita nel diametro D la portata nera di punta; nel caso di fognatura solo nera si verifica che il grado di riempimento della condotta sia accettabile (vedi paragrafo 6.1.2);

18 per qualsiasi tipo di fognatura si verifica che la velocità sia compatibile con i vincoli indicati nel paragrafo SCELTA DEI MATERIALI PER LE CONDOTTE 7.1 INQUADRAMENTO DEL PROBLEMA Le difficoltà connesse con l esecuzione corretta di getti in calcestruzzo in condizioni spesso molto disagevoli e la necessità di ridurre l impatto del cantiere sul traffico, suggeriscono, quando possibile, l adozione di condotte prefabbricate che possono essere realizzate con materiali lapidei (calcestruzzo armato, fibrocemento, gres ceramico), plastici (PVC, polietilene, vetroresina), metallici (ghisa, acciaio). La scelta fra i vari materiali va fatta tenendo conto che l opera deve rispondere in modo adeguato alle diverse sollecitazioni a cui è sottoposta e che riguardano diversi aspetti, fra i quali la sicurezza statica, la resistenza all aggressività delle acque reflue, la resistenza all abrasione, la conservazione delle caratteristiche di resistenza idraulica e la tenuta idraulica. Con riferimento a questi aspetti (che definiscono l affidabilità dell opera), la progettazione deve informarsi a un criterio di omogeneità prestazionale, così che tutto il sistema progettato risulti ugualmente affidabile. Occorre cioè evitare di realizzare un sistema formato in parte con materiali con caratteristiche prestazionali ridondanti rispetto alle reali esigenze e in parte con materiali inadatti a sopportare le sollecitazioni alle quali sono sottoposti Sicurezza statica La sicurezza statica, ovvero l idoneità delle tubazioni scelte a resistere ai carichi esterni a cui saranno sottoposte, assume connotati diversi a seconda che le tubazioni siano rigide o flessibili. Il comportamento rigido o flessibile di una tubazione interrata dipende, oltre che dal materiale costituente la tubazione, anche dalla natura e dal grado di costipamento del materiale di rinterro che circonda la tubazione e può essere definito tramite il calcolo del coefficiente di elasticità in sito: 3 ( r s) E S Et n = (17) dove E s è il modulo di elasticità del terreno, E t quello della tubazione, r è il raggio interno medio della tubazione e s il suo spessore. La tubazione interrata è flessibile se risulta n 1. Nell ambito delle normali applicazioni tecniche, le tubazioni in calcestruzzo semplice o armato, in gres e in fibrocemento sono sempre rigide, le tubazioni in PVC, PEad e vetroresina sono sempre flessibili, le tubazioni in acciaio e in ghisa possono essere flessibili o rigide a seconda dei casi. Per le tubazioni rigide il carico agente deve determinare tensioni ammissibili per il materiale, cioè non deve determinare fessurazione. Questa condizione è estrinsecata dalla relazione: Q Q K Q Q µ (18) r t = p t nella quale Q t è il carico totale agente sul tubo, Q r è il carico di fessurazione in trincea, Q è il carico di fessurazione per schiacciamento ottenuto in laboratorio, K p è il coefficiente di posa che tiene conto della collaborazione del materiale di rinfianco nel contrastare l ovalizzazione

19 (per una posa con letto e rinfianco in materiale granulare, si può attribuire a K p il valore 1,5; K p può assumere valori fino a 2 usando per il sottofondo e il rinfianco materiale granulare ben costipato e fino a 3,5 usando calcestruzzo) e µ è il coefficiente di sicurezza che in base alla normativa italiana può essere assunto pari a 1,3, ma prudenzialmente conviene assumere pari a 1,5. Per il calcolo del carico totale agente sul tubo si può far riferimento alla normativa UNI 7517/76 che, pur essendo nata come normativa specifica per le condotte in fibrocemento, può essere estesa a tutte le tubazioni rigide. Va prestata attenzione al fatto che, stante il basso valore di µ, quando la sicurezza statica è assicurata solo grazie a particolari modalità di posa (e quindi a valori elevati di K p ), eventuali difformità esecutive rispetto a quelle previste possono determinare facilmente valori del rapporto (Q r /Q t ) inferiori al coefficiente di sicurezza minimo. Per le tubazioni flessibili la verifica statica consiste nelle seguenti operazioni: calcolo dell inflessione diametrale a lungo termine e verifica che essa non superi i valori ammissibili stabiliti dal fabbricante e che non infici la funzionalità dell opera, compresa la tenuta dei giunti e l integrità dell eventuale rivestimento (ad esempio, per tubazioni in PRFV, PVC e PEad, l inflessione diametrale a lungo termine non deve superare il 5% del diametro iniziale della condotta); calcolo della sollecitazione o deformazione massima di flessione risultante dall inflessione del tubo e verifica che non ecceda la resistenza a flessione a lungo termine del prodotto, ridotta di un fattore di sicurezza; verifica che le pressioni radiali dovute ai carichi esterni siano inferiori alla pressione ammissibile di buckling. L inflessione diametrale e conseguentemente le sollecitazioni e le deformazioni, come pure la pressione massima ammissibile di buckling, di una tubazione flessibile interrata sono fortemente dipendenti dal modulo di elasticità del terreno che, a sua volta, dipende in modo rilevante dal grado di costipamento cui è sottoposto. Le tubazioni flessibili affidano quindi in gran parte la loro sicurezza statica alla reazione del mezzo in cui sono posate e richiedono pertanto un controllo particolarmente accurato delle modalità di posa e la garanzia che queste non vengano successivamente alterate Resistenza all aggressività delle acque reflue L aggressività delle acque reflue nei confronti delle condotte riguarda non solo le fognature industriali, ma anche quelle urbane. In particolari circostanze, infatti, per effetto di meccanismi biologici (in condizioni anaerobiche) i solfati e le sostanze organiche presenti nel liquame sviluppano Idrogeno Solforato (H 2 S) che successivamente, per effetto di colonie batteriche aerobiche presenti sulle pareti emergenti del condotto, viene trasformato in Acido Solforico (H 2 SO 4 ) che è corrosivo per molti materiali e, in particolare, per il calcestruzzo. Il fenomeno è favorito dalle alte temperature ambientali, da un elevata concentrazione di BOD nel liquame, dalla permanenza di depositi e di pellicole biologiche sul fondo e sulle pareti della tubazione, da una bassa velocità della corrente e da un insufficiente ventilazione della fognatura. Il fenomeno ha una maggior probabilità di avvenire nelle condotte di testata delle fognature (piccoli diametri e alta concentrazione di BOD); da ciò si ricava l indicazione di scegliere per questi tratti materiali più resistenti

20 L aggressività dei liquami domestici può esercitarsi nelle fognature anche per presenza di residui di prodotti chimici usati nell attività casalinga. Anche per questi casi, il fenomeno assume caratteri più rilevanti nei piccoli tronchi di estremità dove minori risultano gli effetti esercitati dalla diluizione. Particolarmente aggressivi possono poi risultare gli scarichi provenienti da attività produttive (artigianale o industriale) se non adeguatamente pretrattati. I fenomeni sopra descritti possono essere efficacemente fronteggiati con l uso di materiali intrinsecamente resistenti (il gres presenta un ottima resistenza; anche i materiali plastici presentano un ottima resistenza con qualche debolezza nei confronti dei solventi organici o di acque molto calde peraltro piuttosto infrequenti nelle fognature urbane), oppure adottando appropriati rivestimenti interni in spessori che devono essere commisurati all altezza delle asperità che devono coprire: la letteratura in argomento è concorde nell indicare per i tubi in calcestruzzo spessori di almeno 0,5 mm (500 µ) in assenza di fenomeni abrasivi e di 1-3 mm in presenza di fenomeni abrasivi Resistenza all abrasione L abrasione è l azione meccanica di distruzione del fondo e delle pareti delle condotte fognarie esercitata dal materiale solido (soprattutto dalla sabbia) trasportato dalla corrente. L intensità dell azione abrasiva dipende dalla durezza e concentrazione degli elementi solidi trasportati, dalla velocità di trasporto, dalla durata dell evento di trascinamento e dalla dinamica del fenomeno di trasporto solido (probabilità che il materiale venga trascinato sul fondo). Sono soggette ad abrasione soprattutto le canalizzazioni con pendenze medio-alte destinate al trasporto di acque meteoriche che trascinano in fognatura materiali provenienti dalla disgregazione del manto stradale, dalle pavimentazioni e più in generale dal dilavamento del bacino tributario. Anche le acque nere non sono però prive di materiale abrasivo (proveniente essenzialmente dalle pulizie domestiche) con l aggravante della continuità della portata. Sono poi soggette ad abrasione anche le fognature oggetto di interventi di manutenzione con getti ad alta pressione (p = bar): questi sistemi, usati in modo sistematico in molte città europee, hanno dimostrato di determinare gravi danni e ciò modifica un po il concetto di abrasione da lento effetto di usura determinato dallo scorrimento del liquame a impatto determinato da questi getti ad altissima pressione ma di durata molto breve. Adottando il metodo di Darmstadt (recepito nelle norme EN 295 per i tubi gres e EN 598 per i tubi in ghisa) risulta che i materiali che resistono meglio all abrasione sono (in ordine decrescente, ma con indici di resistenza fra loro molto simili): PEad, Ghisa con rivestimento interno di cemento alluminoso o d alto forno, gres, PVC. Il peggior comportamento è stato misurato per le tubazioni in fibrocemento senza rivestimento che presentano resistenza all abrasione inferiore a quella del calcestruzzo. Per i tubi in calcestruzzo, la resistenza all abrasione dipende dalla composizione granulometrica degli inerti, dal dosaggio di cemento, dal rapporto acqua-cemento e dalle modalità di stagionatura. Per questi tubi i rivestimenti protettivi sono efficaci solo se il loro spessore è di qualche millimetro. Per la realizzazione di canalizzazioni con forti pendenze trovano utile impiego le tubazioni in PEad corrugate internamente (macroscabrezza trasversale a passo costante); questi tubi infatti uniscono un elevata resistenza intrinseca del materiale all abrasione ad un basso valore della

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